Дипломная работа: Аммиак

Аммиак.

Азот образует несколько соединений с водородом; из них наибольшее значение имеет аммиак – бесцветный газ с характерным резким запахом (запах «нашатырного спирта»).

В лаборатории аммиак обычно получают, нагревая хлорид аммония с гашеной известью Ca(OH)₂. Реакция выражается уравнением

2NH₄CI+Ca(OH)₂=CaCI₂+2H₂O+2NH₃↑

Выделяющийся аммиак содержит пары воды. Для осушения его пропускают через натронную известь (смесь извести с едким натром).

Масса 1л аммиака при нормальных условиях равна 0,77г. Поскольку этот газ значительно легче воздуха, то его можно собирать в перевернутое вверх дном сосуды.

При охлаждении до -33,5˚С аммиак под обычным давлением превращается в прозрачную жидкость, затвердевающую при -77,8˚С.

Аммиак очень хорошо растворим в воде: 1 объем воды растворяет при комнатной температуре около 700 объёмов аммиака. Концентрированный раствор содержит 25% NH₃ и имеет плотность 0,91 г⁄см³. Раствор аммиака в воде иногда называют нашатырным спиртом. Обычный медицинский нашатырный спирт содержит 10% NH₃. С повышением температуры растворимость аммиака уменьшается, поэтому он выделяется при нагревании из концентрированного раствора, чем иногда пользуются в лабораториях для получения небольших количеств газообразного аммиака.

При низкой температуре из раствора аммиака может быть выделен кристаллогидрат NH₃·Н₂О, плавящийся при -79˚С. Известен также кристаллогидрат состава 2NH₃·H₂O. В этих гидратах молекулы воды и аммиака соединены между собой водородными связями.

В химическом отношении аммиак довольно активен; он вступает во взаимодействие со многими веществами. В аммиаке азот имеет самую низкую степень окисления (-3). Поэтому в реакции, связанные с дальнейшим понижением степени окисления азота, аммиак вступает: он обладает только восстановительными свойствами. Если пропускать ток NH по трубке, вставленной в другую широкую трубку, по которой проходит кислород, то аммиак можно легко зажечь; он горит белым, зеленоватым пламенем. При горении аммиака образуется вода и свободный азот:

4NH₃+3O₂=6H₂O+2N₂

При других условиях аммиак может окисляться до окисления NO.

В отличии от водородных соединений неметаллов VI и VII групп, аммиак не обладает кислотными свойствами. Однако атомы водорода в его молекуле могут замещаться атомами металлов. При полном замещении водорода металлов образуются соединения, называемые нитридами. Некоторые из них, например нитриды кальция и магния, получаются путем непосредственного соединения азота с металлами при высокой температуре:

3Mg+N₂=Mg₃N₂

Многие нитриды полностью гидролизуются водой с образованием аммиака и гидроксида металла. Например:

Mg₃N₂+6H₂O=3Mg(OH)₂+2NH₃↑

При замещении в молекулах аммиака только одного атома водорода металлами образуется амиды металлов. Так, пропуская аммиак над расплавленным натрием, можно получить амид натрия NaNH₂ в виде бесцветных кристаллов:

2NH₃+2Na=2NaNH₂+H₂

Вода разлагает амид натрия:

2NaNH₂+H₂O=NaOH+NH₃↑

Обладая сильными основными и водоотнимающими свойствами, амид натрия нашел применение при некоторых органических синтезах, например, в производстве такого важного красителя, как индиго, и некоторых лекарственных препаратов.

Водород в аммиаке может замещаться также галогенами. Так, при действии нитрид хлора, или хлористый азот, NCI₃

NH₄CI+3CI₂=NCI₃+4HC

в виде тяжелой маслянистой взрывчатой жидкости.

Подобными же свойствами обладают нитрит иода (иодистый азот), образующий в виде черного, нерастворимого в виде порошка при действии иода на аммиак. Во влажном состоянии он безопасен, но высушенный взрывает от малейшего прикосновения; при этом выделяется пары иода фиолетового цвета.

Атом азота в молекуле аммиака связан тремя ковалентными связями с атомами водорода и сохраняет при этом электронную пару:

H:N:

Выступая в качестве донора электронной пары, атом азота может участвовать в образовании по донорно-акцепторному способу четвертой ковалентной связи с другими атомами или ионами, обладающими электронно-акцепторными свойствами. Этим объясняется чрезвычайно характерная для аммиака способность вступать в реакцию присоединения.

Взаимодействие аммиака с водой тоже приводит к образованию не только гидратов аммиака, но частично и иона аммония:

NH₃+H₂O↔NH₄+OHֿ

В результате концентрации ионов OHֿ в растворе возрастает. Именно поэтому водные растворы аммиака обладает щелочной реакцией. Однако по установившейся традиции водный раствор аммиака обычно обозначают формулой NH₄OH и называют гидроокись аммония, а щелочную реакцию этого раствора рассматривают как результат диссоциации молекул NH₄OH.

При нагревании раствора аммиак улетучивается, в чем не трудно убедится по запаху. Таким образом, присутствие любой аммонийной соли в растворе можно обнаружить, нагревая раствор со щелочью.

Соли аммония термически неустойчивы. При нагревании они разлагаются. Это разложение может происходить обратимо или необратимо. Например, при нагревании хлорид аммония как бы возгоняется – разлагается на аммиак и хлорид водород, которые на холодных частях сосуда вновь соединяются в хлорид аммония: NH₄↔NH₃+HCI

При обратимом распаде солей аммония, образованных нелетучими кислотами, улетучивается только аммиак. Однако продукты разложения – аммиак и кислота, - будучи смешаны, вновь соединяются друг с другом. Примерами могут служить реакция распада сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ или фосфата аммония (NH₄)₃PO₄.

Соли аммония, анион которых проявляет окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой ион аммония окисляется, а анион восстанавливается. Примерами могут служить распад NH₄NO₂ или разложение нитрата аммония:

NH₄NO₃=NO₂↑+2H₂O

Аммиак и соли аммония находят широкое применение. Как уже говорила, аммиак даже при невысоком давлении (7-8атм) легко превращается в жидкость. Поскольку при испарения жидкого аммиака поглощается большое количество теплоты (327кал\г), то жидкий аммиак используются в различных холодных устройствах.

Водные растворы аммиака применяются в химических лабораториях и производствах как слабое основание; их используют так же в медицине и в быту. Но большая часть получаемого в промышленности аммиака идет на приготовление азотной кислоты, а также других азотсодержащих веществ. К важнейшим из них относятся азотные удобрения, прежде всего сульфат и нитрат аммония и карбамид.

Сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ служит хорошим удобрением и производится в больших количествах.

Нитрат аммония NH₄NO₃ тоже применяется в качестве удобрения; процентное содержание усвояемого азота в этой соли выше, чем в других нитратах или солях аммония. Кроме того, нитрат аммония образует взрывчатые смеси с горючими веществами (аммоналы) и применяются для взрывных работ.

Хлорид аммония, или нашатырь, NH₄CI применяется в красильном деле, в ситцепечатанье, при паянии, а также в гальванических элементах. Применение хлорида аммония при паянии основано на том, что он способствует удалению с поверхностей оксидных пленок, благодаря чему припой хорошо пристает к металлу. При соприкосновении сильно нагретого металла, с хлоридом аммония оксиды, находящиеся на поверхности металла, либо восстанавливаются, либо переходят в хлориды. Последствие, будучи более летучи, чем оксиды, удаляются с поверхности металла. Для случая меди и железа основные происходящие при этом процессы можно выразить такими уравнениями:

4CuО+2NH₄CI=3Сu+CuCI₂+N₂+4H₂O

Fe₃О₄+8NH₄Cl=FeCI₂+ 2FCl₃+4H₂O

Первая из этих реакций является окислительно-восстановительной: медь, будучи менее активным металлом, чем железо, восстанавливается аммиаком, который образуется при нагревании NH₄CL. Жидкий аммиак и насыщенные им растворы аммонийных солей применяют в качестве удобрений. Одним из главных преимуществ таких удобрений является повышенное содержание в них азота.

Получение аммиака. Первым по времени открытия (1904г.) является цианамидный способ получения аммиака, основанный на способности азота при высокой температуре взаимодействовать с карбидом кальция CaC₂ , образуя цианамид кальция CaCN₂ :

CaC₂+ N₂ = CaCN₂+ C +72ккал

Цианамид кальция – порошок, окрашенный в темно-серый цвет примесью угля. При действии на него водяного пара под давлением около 6 атм он легко разлагается с образованием аммиака и карбоната кальция :

CaCN₂+3H₂O = CaCO₃+2NH₃ +18 ккал

Первый завод для получения цианамида кальция мощностью 4 тыс. т в год был построен в 1906 г. В Италии. В1921 г. Мировое производство цианамида кальция достигло 500 тыс. т в год. Но затем строительство новых заводов почти прекратились, так как преобладающее значение получил другой метод промышленного производства аммиака – синтез аммиака из водорода и азота.

При комнатной температуре азот не соединяется с водородом. Но уже давно было известно, что если пропускать смесь этих газов электрические искры, то образуется некоторое количество аммиака. Подобное изучение этой реакции показало, что реакция между азотом и водородом обратима:

N₂+3H₂ ↔2NH₃ +22 ккал

При высокой температуре, создаваемой электрическими разрядами, равновесие сильно сдвинуто влево - количество получающегося аммиака очень мало. Только в начале 20 века удалось, наконец, найти условия, при которых выход аммиака становится достаточным для проведения процесса в заводском масштабе. Оказалось, что этими условиями является высокое давление и низкая температура.

Но при низких температурах скорость реакции настолько мала, что потребовалось бы слишком много времени для получения значительных количеств аммиака. Ускорения процесса удалось добиться путем применения катализаторов. Из различных исследованных веществ наилучшим оказалось определенным образом приготовленное пористое железо, содержащее небольшие количества оксидов алюминия, калия, кальция и кремния.

Реакцию ведут при температуре около 500˚С, компенсируя вызываемый этим сдвиг равновесия вызываемый этим сдвиг равновесия влево повышенным давлением. Нетрудно убедиться, что один и тот же выход аммиака может быть получен как при сравнительно низкой, так и при более высокой температуре, если соответственно увеличить давление. Но пи повышении температуры возрастает скорость реакции и нужное количество аммиака получается за более короткое время.

Все промышленные установки синтеза аммиака работают с использованием принципа циркуляции: после реакции смесь газов охлаждается, содержащийся в ней аммиак конденсируется и отделяется, а не прореагировавшие азот и водород смешиваются со свежей порцией газов, снова подаются на катализатор и т.д. Применение циркуляции увеличивает производительность всей системы.

Синтез аммиака можно проводить при различных давлениях от 150 до 1000 атм. Наибольшее распространение получили системы, работающие при среднем давлении (300 атм); в экономическом отношении они наиболее целесообразны.

В настоящее время синтез аммиака является основным способом связывания атмосферного азота.

Метанол. CH₃OH – бесцветная жидкость (темп. кип. 64,7˚С). Весьма ядовит: прием небольших доз его внутрь вызывает слепоту, а больших – смерть. Метиловый спирт получают в больших количествах синтезом из окси водорода и углерода при высоком давлении (200-300 атм) и высокой температуре (400˚С) в присутствии катализатора (около 90% ΖnO и 10% Cr₂O₃): CO+2H₂↔CH₃OH

Метиловый спирт образуется и при сухой перегонке дерева; поэтому его называют также древесным спиртом. Применяется он как растворитель, а также для получения других органических веществ, в частности формальдегида и метилметакрилата, которые используют в производстве фенолформальдегидных смол и полиметилметакрилата (органического стекла) соответственно. Еще его используют в качестве моторного топлива, так как добавка его к бензину повышает октановое число топлива и снижает количество вредных веществ в выхлопных газах.

Доклад на тему:

«Производство аммиака и метанола».

Выполнила: Акжигитова Алсу

11«Б» класс

Преподаватель: Канеева Наиля

Рифатовна